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對于紅外光電傳感器來(lái)說(shuō)，相應于不同的路面條件(主要是黑白度)，接收管接收到地面漫反射紅外線(xiàn)后其兩端電壓將有所不同，即傳感器接收管正對白色路面，則其電壓較高，若正對黑色的路徑標記線(xiàn)，則電壓較低�；诖嗽砜梢蕴岢鲆环N比較常見(jiàn)的路徑離散識別算法：通過(guò)普通I/O端口將接收管電壓讀入單片機，根據端口輸入的高低電平邏輯來(lái)判斷該傳感器是否處于路徑標記線(xiàn)上方，再篩選出所有處于標記線(xiàn)上方的傳感器，便可以大致判斷此時(shí)車(chē)身相對道路的位置，確定路徑信息。 這種離散算法簡(jiǎn)便易行，對硬件及算法要求都比較低，在傳感器數目較多的情況下也可以實(shí)現較高的識別準確性。但它的一個(gè)致命缺陷在于路徑信息只是基于間隔排布的傳感器的離散值，對于兩個(gè)相鄰傳感器之間的“盲區”無(wú)法提供有效的距離信息，因此在傳感器數目受到限制的智能車(chē)賽事中，其路徑識別精度極大地受制于傳感器數目及其間距。 即使傳感器數目不受限制，路徑識別精度足夠高，離散路徑識別算法仍有其難以克服的固有缺陷。由于離散算法得到的路徑信息為離散值，如果直接應用到轉向及車(chē)速控制策略中，勢必造成轉向及車(chē)速調節的階躍式變化，這將會(huì )對賽車(chē)的性能產(chǎn)生以下不利影響：其一，轉向及車(chē)速控制僵硬，對路徑變化反應不靈敏，同時(shí)易產(chǎn)生超調及振蕩現象；其二，舵機輸出轉角相對于路徑為階躍式延遲響應，對于追求高速性能的高車(chē)速短決策周期控制策略來(lái)說(shuō)，很可能因為舵機響應不及而造成控制失效。 為了解決以上問(wèn)題，一方面可以從路徑識別算法上著(zhù)手，尋找識別精度高，不受傳感器數目限制，識別信息連續的路徑識別算法；另一方面也可以從控制算法上著(zhù)手，尋找基于離散路徑信息的連續控制算法。本文著(zhù)眼于第一條思路，提出一種將有限間隔排布傳感器采集的數據連續化的方法，來(lái)實(shí)現連續路徑識別。 光電傳感器特性 該連續化方法主要是建立在對光電傳感器特性的深入研究的基礎上。 事實(shí)上，紅外光電傳感器特性并非如前文所述那樣簡(jiǎn)單(白區高電壓，黑線(xiàn)低電壓)，其電壓大小與傳感器距離黑色路徑標記線(xiàn)的水平距離有定量關(guān)系：離黑線(xiàn)越近，電壓越低，離黑線(xiàn)越遠，則電壓越高，(具體的對應關(guān)系與光電管型號以及離地高度有關(guān))， 如圖1所示。 圖1 傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖 因此，只要掌握了傳感器電壓—偏移距離特性關(guān)系，就可以根據傳感器電壓上的大小確定各傳感器與黑色標記線(xiàn)的距離(而不是僅僅粗略判斷該傳感器是否在線(xiàn)上)，進(jìn)而獲得車(chē)身相對路徑標記線(xiàn)的位置，得到連續分布的路徑信息。 連續路徑識別算法 算法總流程框圖如圖2所示，分為光電傳感器特性測定、比賽開(kāi)始前預標定、正式比賽三個(gè)步驟。 圖2 連續路徑識別算法總流程圖 傳感器特性測定 傳感器電壓—偏離距離曲線(xiàn)的測定是實(shí)現連續路徑識別的基礎，需在軟件調試階段預先完成。以下將以一套實(shí)際設計的傳感器為實(shí)例，說(shuō)明曲線(xiàn)測定的過(guò)程。 傳感器組參數如表1所示�！� 表1 傳感器組參數 *：傳感器平面與地面夾角 預標定 考慮到賽道差異以及傳感器溫漂對傳感器電壓整體變化產(chǎn)生的影響，每次賽車(chē)出發(fā)前需要進(jìn)行賽道預標定，從而為下面算法路徑識別部分中的歸一化處理提供準確的歸一化基本參數。 在標定過(guò)程中，賽車(chē)處于停車(chē)狀態(tài)，但傳感器及其電壓A/D轉換通道仍在工作，單片機不斷記錄讀入的電壓值。在賽道上移動(dòng)賽車(chē)使其所有傳感器均能掃過(guò)白色的路面以及黑色的賽道標記線(xiàn)，這樣單片機就能記錄下在該賽道上道路傳感器的電壓最大值(白區電壓)以及最小值(黑區電壓)，為算法中的歸一化處理提供基本參數。 路徑識別 路徑識別(即路徑信息獲取)為控制算法的核心內容，各步驟在單個(gè)決策控制周期內完成。首先，在每個(gè)決策控制周期中，通過(guò)A/D轉換將傳感器電壓轉換為數字量讀入單片機中。然后，利用在標定過(guò)程中得到的傳感器電壓最大、最小值將得到的傳感器電壓進(jìn)行歸一化處理。下面需要確定能夠用于確定路徑信息的有效傳感器。接著(zhù)，就需要調用傳感器特性曲線(xiàn)參數進(jìn)行路徑信息計算。最后，為了能夠提高路徑信息的準確性，減小單個(gè)傳感器探測及數據轉換的誤差，可以將根據三個(gè)有效傳感器計算得到的三個(gè)偏移距離取平均，得到較為準確的路徑信息。 值得注意的是，這樣得到的路徑信息是車(chē)身中心偏移路徑標記線(xiàn)的距離，是一個(gè)連續變化的量，不但能在傳感器處于賽道標記線(xiàn)正上方時(shí)探測到賽道，也能在傳感器偏移標記線(xiàn)時(shí)給出具體的偏移距離，因此消除了傳感器間隙的“盲區”，實(shí)現了連續的路徑識別。 問(wèn)題及展望 連續路徑偏差識別算法比起普通離散算法來(lái)說(shuō)，不但具有定位精確、響應連續的特點(diǎn)，而且從理論上來(lái)說(shuō)連續算法可以在任意數目傳感器配置的控制系統中都保證較好的路徑識別效果，為控制的流暢性提供了可能。 同時(shí)需要指出的是，采用該算法時(shí)硬件設計上需要注意一些相關(guān)問(wèn)題： ·需要根據實(shí)際路徑標記線(xiàn)寬度，以及傳感器離地高度選擇合適的光電傳感器。 ·為了保證算法的簡(jiǎn)單，使所有傳感器能夠共用一個(gè)分段線(xiàn)性模型，最好能夠保證所有傳感器的均一性，即所有傳感器的特性曲線(xiàn)都具有大致相同的形狀。這一點(diǎn)實(shí)際上很難做到，但若設計時(shí)稍加注意，如對元件進(jìn)行分級篩選，仍可以部分改善問(wèn)題，給算法實(shí)現上帶來(lái)方便。 |
